常用存储器

存储器是计算机结构的重要组成部分。存储器是用来存储程序代码和数据的部件，有了存储器计算机才具有记忆功能。基本的存储器种类如下图。

存储器按其存储介质特性主要分为“易失性存储器”和“非易失性存储器”两大类。
其中的“易失/非易失”是指存储器断电后，它存储的数据内容是否会丢失的特性。由于一般易失性存储器存取速度快，而非易失性存储可长期保存数据，它们都在计算机中占据着重要角色。在计算机中易失性存储器最典型的代表是内存，非易失性存储的代表则是硬盘。

1、RAM存储器

RAM是“Random Access Memory”的缩写，被译为随机存储器。所谓“随机存取”，指的是当存储器中的消息被读取或写入时，所需要的时间与这段信息所在的位置无关。这个词的由来是因为早期计算机曾使用磁鼓作为存储器，磁鼓是顺序读写设备，而RAM可随机读取其内部任意地址的数据，时间都是相同的，因此得名。实际上现在RAM已经专门用于指代作为计算机内存的易失性半导体存储器。
根据RAM的存储机制，又分为动态随机存储器DRAM（Dynamic RAM）以及静态随机存储器SRAM（Static RAM）两种。

1.1 DRAM
动态随机存储器DRAM的存储单元以电容的电荷来表示数据，有电荷代表1，无电荷代表0.但时间一长，代表1的电容会放电，代表0的电容会吸收电荷，因此它需要定期刷新操作，这就是“动态（Dynamic）”一词所形容的特性。刷新操作会对电容进行检查，若电量大于满电量的1/2，则认为其代表1，并把电容充满电；若电量小于1/2，则认为其代表0，并把电容放电，借此来保证数据的正确性。

① SDRAM
根据DRAM的通讯方式，又分为同步和异步两种，这两种方式根据通讯时是否需要使用时钟信号来区分。下图是一种利用时钟进行同步的通讯时序，它在时钟的上升沿表示有效数据。

由于使用时钟同步的通讯速度更快，所以同步DRAM使用更为广泛，这种DRAM被称为SDRAM（synchronous DRAM）。

② DDR SDRAM
为了进一步提高SDRAM的通讯速度，人们设计了DDR SDRAM存储器（double data rate SDRAM）。它的存储特性与SDRAM没有区别，但SDRAM只在上升沿表示有效数据，在1个时钟周期内，只能表示1个有效数据；而DDR SDRAM在时钟的上升沿及下降沿各表示一个数据，也就是说在1个时钟周期内可以表示2个数据，在时钟频率同样的情况下，提高了一倍的速度。至于DDRII和DDRIII，它们的通讯方式并没有区别，主要是通讯同步时钟的频率提高了。
当前个人计算机常用的内存条是DDRIII SDRAM存储器，在一个内存条上包含多个DDRIII SDRAM芯片。

1.2 SRAM
静态随机存储器SRAM的存储单元以锁存器来存储数据。下图这种电路结构不需要定时刷新充电，就能保持状态（当然，如果断电了，数据还是会丢失的），所以这种存储器被称为“静态（Static）RAM”。

同样的，SRAM根据其通讯方式也分为同步（SSRAM）和异步（SDRAM），相对来说，异步SDRAM用的较多。

1.3 DRAM与SRAM的应用场合

对比DRAM与SRAM的结构，可知DRAM的结构简单的多，所以生产相同容量的存储器，DRAM的成本要更低，且集成度高。而DRAM中的电容结构则决定了它的存取速度不如SRAM，特性对比见表。

所在在实际应用场合中，SRAM一般只用于CPU内部的高速缓存（cache），而外部扩展的内存一般使用DRAM。

2、非易失性存储

非易失性存储种类非常多，半导体类的有ROM和FLASH，而其他的则包括光盘、软盘、机械硬盘。

2.1 ROM存储器
ROM是“Read Only Memory”的缩写，译为只读存储器。由于技术的发展，后来设计出了可以方便写入数据的ROM，而这个“Read Only Memory”的名称被沿用了下来，现在一般用于指代非易失性半导体存储器，包括后面介绍的FLASH存储器，有些人也把它归到ROM类里边。

① MASK ROM
MASK（掩膜）ROM就是正宗的“Read Only Memory”，存储在它内部的数据是在出厂时使用特殊工艺固化的，生产后就不可修改，其主要优势是大批量生产时成本低。当前在生产量大，数据不需要修改的场合，还有应用。

② OTPROM
OTPROM（One Time Programable ROM）是一次可编程存储器。这种存储器出厂时内部并没有资料，用户可以使用专用的编程器将自己的资料写入，但只能写入一次，被写入过后，它的内容也不可再修改。在NXP公司生产的控制器芯片中常用OTPROM来存储密钥；STM32F429系列的芯片内部也包含有一部分的OTPROM空间。

③ EPROM
EPROM（Erasable Programmable ROM）是可重复擦写的存储器，它解决了PROM芯片只能写入一次的问题。这种存储器使用紫外线照射芯片内部擦除数据，擦除和写入都要专用的设备。现在这种存储器基本淘汰，被EEPROM取代。

④ EEPROM
EEPROM（Electrically Erasable Programmable ROM）是电可擦除存储器。EEPROM可以重复擦写，它的擦除和写入都是直接使用电路控制，不需要再使用外部设备来擦写。而且可以按字节为单位修改数据，无需整个芯片擦除。现在主要使用的ROM芯片都是EEPROM。

2.2 FLASH存储器
FLASH存储器又称为闪存，它也是可重复擦写的存储器，部分书籍会把FLASH存储器称为FLASH ROM，但它的容量一般比EEPROM大得多，且在擦除时，一般以多个字节为单位。如有的FLASH存储器以4096个字节为扇区，最小的擦除单位为一个扇区。根据存储单元电路的不同，FLASH存储器又分为NOR FLASH和NAND FLASH。

NOR和NAND的共性是在数据写入前都需要有擦除操作，而擦除操作一般是以“扇区/块”为单位的。而NOR与NAND特性的差别，主要是由于其内部“地址/数据线”是否分开导致的。
由于NOR的地址线和数据线分开，它可以按“字节”读写数据，符合CPU的指令译码执行要求，所以假如NOR上存储了代码指令，CPU给NOR一个地址，NOR就能向CPU返回一个数据让CPU执行，中间不需要额外的处理操作。
而由于NAND的数据和地址线共用，只能按“块”来读写数据，假如NAND上存储了代码指令，CPU给NAND地址后，它无法直接返回该地址的数据，所以不符合指令译码要求。上表中的最后一项“是否支持XIP”描述的就是这种立即执行的特性（eXecute In Place）。
若代码存储在NAND上，可以把它先加载到RAM存储器上，再由CPU执行。所以在功能上可以认为NOR是一种断电后数据不丢失的RAM，但它的擦除单位与RAM有区别，且读写速度比RAM要慢得多。
另外，FLASH的擦除次数都是有限的（现在普遍是10万次左右），当它的使用接近寿命的时候，可能会出现写操作失败。由于NAND通常是整块擦写，块内有一位失效整个块就会失效，这被称为坏块，而且由于擦写过程复杂，从整体来说NOR坏块更少，寿命更长。由于可能存在坏块，所以FLASH存储器需要“探测/错误更正（EDC/ECC）”算法来确保数据的正确性

由于两种FLASH存储器特性的差异，NOR FLASH一般应用在代码存储的场合，如嵌入式控制器内部的程序存储空间。而NAND FLASH一般应用在大数据量存储的场合，包括SD卡、U盘以及固态硬盘等，都是NAND FLASH类型的。